CC BY
91
© Е.И. Грачева, О.В. Наумов, Е.А. Федотов УДК 621.311
ВЛИЯНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Е.И. Грачева, О.В. Наумов, Е.А. Федотов
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме: В статье представлен расчет режимов работы силовых трансформаторов по определению величины оптимальной загрузки, при которой коэффициент полезного действия трансформатора достигает максимального значения, а также предложены варианты повышения эффективности эксплуатации силовых трансформаторов промышленных предприятий.
Ключевые слова: трансформатор, потери мощности, коэффициент загрузки, электрические сети, потери электроэнергии.
INFLUENCE OF A LOAD CAPABILITY OF POWER TRANSFORMERS ON THEIR OPERATIONAL CHARACTERISTICS
Gracheva Elena I., Naumov Oleg V., Fedotov Evgeny A.
Kazan state power university, Kazan
Abstract: In article calculation of an operating mode ofpower transformers for determination of optimum loading in case of which the efficiency of the transformer will reach the maximum value is provided, options of increase in efficiency of operation ofpower transformers of the industrial enterprises are also offered.
Keywords: Transformer, capacity losses, load factor, electric networks, losses of the electric power.
Последствия экономического и энергетического кризиса заставляют обратить внимание на вопросы оценки уровней потерь мощности и электроэнергии и возможности их уменьшения при передаче электрической энергии как в целом, так и в отдельных элементах системы электроснабжения, в частности в трансформаторах. Наблюдается рост потерь электроэнергии в силовых трансформаторах по мере их старения по сравнению с паспортными данными, полученными в год выпуска. При этом разработчики трансформаторов, как правило, утверждают, что потери электроэнергии в процессе эксплуатации в исправных трансформаторах если и увеличиваются, то не более чем на 5% за весь срок службы трансформатора [1].
Проведенные исследования показали, что старение трансформатора приводит к росту потерь электроэнергии, порой весьма и весьма значительному, в зависимости от условий работы [2].
Как известно, установленная мощность трансформаторов в цепи «электрическая станция - потребитель электрической энергии» на порядок больше генераторных мощностей электрической станции. При этом неоднократная трансформация электрической энергии связана с ее потерями, и, при прочих равных условиях, чем больше ступеней трансформации, тем выше потери.
Общепринятой оценкой эффективности эксплуатации систем электроснабжения является метод приведенных затрат.
При решении некоторых более узких задач могут приниматься другие критерии для определения эффективности работы электрооборудования [3].
Минимум потерь мощности (электроэнергии), как критерий для выбора номинальной установленной мощности трансформатора или степени его загрузки, может быть применен для вариантов схем электроснабжения с неизменными сечениями и марками кабелей, их длиной, схемами и оборудованием, установленным на подстанциях и т.д.
В некоторых случаях предлагается в качестве критерия оптимальной загрузки трансформатора считать его загрузку, соответствующую максимуму коэффициента полезного действия [4].
Практически этим критерием воспользоваться трудно, так как максимум КПД трансформаторов в широком диапазоне изменения вторичной нагрузки (кз = 0,4^1,5) выражен слабо. Покажем это на примере.
Коэффициент полезного действия трансформатора, как известно, это отношение отдаваемой мощности Р2 к мощности Р1, поступающей в первичную обмотку.
По уравнению баланса мощности в цепи трансформатора имеем [5]
Р1 = Р2+ АР = Р2+ ДРст + ДРм , (!)
где ДРст - потери мощности в стали; ДРм - потери мощности в меди; ДР - суммарная потери мощности; Р2 = Ц^соБф - активная мощность потребителей; и2 - напряжение вторичной обмотки трансформатора; 12 - ток вторичной обмотки трансформатора; cosф -коэффициент мощности трансформатора.
Потери мощности в стали магнитопровода ДРст из-за гистерезиса и вихревых токов зависят от амплитуды магнитного потока, а поскольку магнитный поток - величина постоянная, то потери мощности в стали не изменяются, не зависят от нагрузки при постоянном значении напряжения питания. Эти потери составляют 1-2% от номинальной мощности трансформатора [6].
Потери мощности в проводах обмоток зависят от нагрузки, так как
АРм = Як'!2, (2)
где Як - сопротивление обмоток трансформатора; 11 - ток первичной обмотки трансформатора.
Коэффициент полезного действия трансформатора можно рассчитать по выражению
[7]
р2 = Р2 _ и 212008 У (3)
1 Р Р2 + АРст + АРМ и212008У + АРСТ + АРМ ■
Из опытов холостого хода и короткого замыкания получаем ДРст = ДРхх,
2 2 | ДРм =Як1\ = кзАРкз, где кз = --- коэффициент загрузки; /1ном - номинальный ток
11 ном
первичной обмотки трансформатора.
Значение коэффициента полезного действия можно рассчитать по выражению
кз ^ном 008 У2 (4)
кз ^ном 008 У + ДРхх + кз2дРкз
II
По выражению (4) возможно вычислить kз, при котором коэффициент полезного действия максимален. Приравняв нулю производную , получим
9
^ДРкз = ДРХ . (5)
Следовательно, КПД имеет максимальное значение при равенстве потерь мощности в проводах обмоток и в стали. Следовательно, оптимальный коэффициент загрузки трансформатора
ДР
Обычно для современных силовых трансформаторов —хх = 0,2 - 0,3 и,
ДРкз
следовательно, максимум КПД имеет место при ^ = 0,4 - 0,5.
На рис. 1 показана зависимость КПД трансформатора мощностью 400 кВА от коэффициента загрузки при фиксированных cosф.
п.. %
0,990 -
0,985 -
0,900 -
0,975 -
0,970 -
0,965 -
0,960 -
0,955 -
0,950 -
0,1 0,2 О Л 0,4 0.5 П. 6 ;1.7 0,8 0.9 1,0 к"
3
Рис. 1. График зависимости КПД от коэффициента загрузки трансформатора и коэффициента
мощности нагрузки
Из рис. 1 видно, что трансформатор имеет практически постоянный КПД в широком диапазоне изменения нагрузки от 0,5 до 1,0. При малых нагрузках и уменьшении коэффициента мощности КПД трансформатора резко снижается.
На рис. 2 показана зависимость оптимального коэффициента загрузки от номинальной мощности трансформаторов 10/0,4 кВ. Видно, что при увеличении мощности трансформатора его оптимальный коэффициент загрузки уменьшается.
Развитая номенклатура трансформаторов, выпускаемых промышленностью, предполагая фиксированные значения потерь мощности в стали и в меди для каждого типа трансформатора при заданном графике потребления и неизменных остальных элементах системы электроснабжения, позволяет реально ставить вопрос о выборе номинальной мощности трансформатора, предполагаемого к установке, в зависимости от выбранного критерия оптимальности [8].
0,50 -¿7,45 -
0,40 -
160 250 400 650 1000
Рис. 2. Зависимость оптимального коэффициента загрузки трансформатора 10/0,4кВ от его номинальной мощности
При рассмотрении вопроса об оптимальной загрузке трансформаторов необходимо указать, что в каждый конкретный момент времени нагрузка трансформатора определяется мощностью приемников электрической энергии, подключенных к его обмоткам, то есть графиком потребления, характером технологического процесса [9].
С изменением коэффициента загрузки трансформатора от нуля и выше его коэффициент полезного действия возрастает до определенного значения, а потом понижается. При этом суммарные потери мощности только увеличиваются. Максимум коэффициента полезного действия не соответствует минимуму потерь мощности [10].
Данная особенность позволяет рассмотреть следующие варианты повышения эффективности эксплуатации трансформаторных подстанций промышленных предприятий:
1) если общая мощность, потребляемая нагрузкой, ниже уровня 30-40% SH/I, в качестве меры энергосбережения целесообразно отключить один или несколько трансформаторов, чтобы довести загрузку остальных трансформаторов до оптимальной величины;
2) при замене трансформаторов, исчерпавших ресурс, или модернизации трансформаторных подстанций предпочтительной является установка энергоэффективных трансформаторов с улучшенными характеристиками (такими, как нагрузочные потери и потери в стали), а также наличием системы мониторинга и диагностики состояния трансформатора (табл. 1);
3) применение компенсирующих устройств для увеличения коэффициента полезного действия силовых трансформаторов промышленных предприятий нецелесообразно, так как повышение КПД за счет роста коэффициента мощности происходит, в среднем, менее чем
на 1-3%.
Таблица 1
_Потери короткого замыкания и холостого хода силовых трансформаторов 6(10)/0,4кВ
Завод Потери, 100кВА 250кВА 400кВА 630кВА 1000кВА
кВт сух. масл. сух. масл. сух. масл. сух. масл. сух. масл.
ЗАО ГК "Электрощит- ХХ 550 400 730 580 1000 830 1400 1050 1950 1550
ТМ-Самара", г.Самара КЗ 2300 2400 3700 3700 4900 5900 7100 7600 10000 10800
Холдинговая компания ХХ 540 290 900 570 1200 830 1650 1060 2150 1400
"Электрозавод", г.Москва КЗ 1250 1970 3000 3700 3900 5400 5730 7450 8400 10800
ООО "Тольяттинский ХХ 420 305 750 610 1150 900 1400 1250 2000 1900
трансформатор", КЗ 2100 2000 3700 3700 5700 5500 6700 7600 8900 12200
г.Тольятти
ОАО Уралэлектротяжмаш ХХ 390 290 750 550 820 800 1300 1010 1900 1400
Гидромаш", КЗ 1720 2200 2900 4200 4300 5600 5500 8500 8250 10600
г.Екатеринбург
Производственная группа ХХ 420 270 750 530 1150 870 1400 1240 2000 1600
"Трансформер", КЗ 2100 1970 3700 3700 5700 5600 6700 7600 8900 10800
г.Подольск
Продолжение таблицы 1
ОАО "Электрощит", г.Чехов ХХ 390 280 750 520 1150 750 1500 1000 1950 1400
КЗ 1740 1970 3040 3700 4260 5400 6350 7600 8700 10600
Требования европейских стандартов энергоэффективности HD 428, HD 538 ХХ А' 440 320 820 650 1150 930 1500 1300 2000 1700
В' 260 530 750 1030 1400
С' 210 425 610 860 1100
КЗ А 2000 1750 3500 3250 4900 4600 7300 6500 10000 10500
В 2150 4200 6000 8400 13000
С 1475 2750 3850 5400 9500
Согласно европейским стандартам гармонизации [11, 12], основными показателями энергетической эффективности для силовых трансформаторов являются потери холостого хода и короткого замыкания. Нормы HD 428.1 для масляных трансформаторов допускают три уровня потерь короткого замыкания (А, В, С) и три уровня потерь холостого хода (А', В', С').
Литература
1. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для студентов высших учебных заведений. М.: Интермент Инжиниринг, 2006. 672 с.
2. Калявин В.П., Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок. Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2000. 348 с.
3. Конюхова Е.А. Электроснабжение: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2014.
502 с.
4. Федоров О.В. Некоторые особенности структуры систем внутрицехового электроснабжения// Надежность и безопасность энергетики. 2015. №3(30). С. 30-33.
5. Козаков Ю.Б., Козлов А.Б., Коротков А.В. Учет изменения потерь холостого хода трансформаторов в период срока службы при расчете потерь в распределительных сетях.// Электротехника. 2006. №5.
6. Коротков А.В., Фролов В.Я. Результаты измерений мощности потерь холостого хода трансформаторов с различным сроком службы. // Электрика. 2011. №8.
7. Грачева Е.И., Наумов О.В., Садыков Р.Р. Учет потерь холостого хода трансформаторов в период эксплуатации при расчете потерь электроэнергии в распределительных сетях// Известия вузов. Проблемы энергетики. 2016. №1-2. С. 53-63.
8. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. Проблемы современного трансформаторостроения в России. // Электричество. 2000. №8.
9. Голубцов Н.В., Федоров О.В. Электротехнические комплексы и системы предприятий как объекты энергосбережения// Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы: мат-лы Междунар. науч.-практич. конф. Ульяновск: УГТУ, 2012. С.222-226.
10. Грачева Е.И., Наумов О.В., Садыков Р.Р., Серпионова Т.А. Моделирование параметров функциональных характеристик цеховых сетей// Технические науки - от теории к практике: мат-лы LIII междунар. науч.-практич. конф. Новосибирск: Изд. АНС «СибАК». 2015. №12 (48). С.105-114.
11. HD 428. Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50Гц от 50 до 2500кВА с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36кВ.
12. HD 538. Трехфазные распределительные трансформаторы с рабочей частотой 50Гц от 100 до 2500кВА с масляным охлаждением и максимальным напряжением не выше 36кВ.
Проблемы энергетики, 2017, том 19, № 7-8 Авторы публикации
Грачева Елена Ивановна - докт. техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: grachieva.i@bk. ru.
Наумов Олег Витальевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение системы сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: 311670@list.ru.
Федотов Евгений Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение системы сети» (ЭСиС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1. Kudrin B.I. Elektrosnabzheniye promyshlennykh predpriyatiy: uchebnik dlya studentov vysshikh uchebnykh zavedeniy. M .: Interment Inzhiniring, 2006. 672 p.
2. Kalyavin V.P., Rybakov L.M. Nadezhnost' i diagnostika elektroustanovok. Yoshkar-Ola: Mar. gos. un-t, 2000. 348 p.
3. Konyukhova E.A. Elektrosnabzheniye: uchebnik dlya vuzov. M .: Izdatel'skiy dom MEI, 2014.
502 p.
4. Fedorov O.V. Nekotoryye osobennosti struktury sistem vnutritsekhovogo elektrosnabzheniya// Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki. 2015. №3 (30). P. 30-33.
5. Kozakov Ju.B., Kozlov A.B., Korotkov A.V. Uchet izmeneniya poter' kholostogo khoda transformatorov v period sroka sluzhby pri raschete poter' v raspredelitel'nykh setyakh. Elektrotekhnika. 2006. №5.
6. Korotkov A.V., Frolov V.Ya. Rezul'taty izmereniy moshchnosti poter' kholostogo khoda transformatorov s razlichnym srokom sluzhby. Elektrika. 2011. №8.
7. Gracheva E.I., Naumov O.V., Sadykov R.R. Uchet poter' kholostogo khoda transformatorov v period ekspluatatsii pri raschete poter' elektroenergii v raspredelitel'nykh setyakh // Izvestiya vuzov. Problemy energetiki. 2016, №1-2. P. 53-63.
8. Lizunov S.D., Lokhanin A.K. Problemy sovremennogo transformatorostroyeniya v Rossii. Elektrichestvo. 2000. №8.
9. Golubtsov N.V., Fedorov O.V. Elektrotekhnicheskiye kompleksy i sistemy predpriyatiy kak ob"yekty energosberezheniya// Elektricheskiye apparaty i elektrotekhnicheskiye kompleksy i sistemy :-mat ly Mezhdunar. nauch.-praktich. konf. Ul'yanovsk: UGTU, 2012. P.222-226.
10. Gracheva E.I., Naumov O.V., Sadykov R.R., Serpionova T.A. Modelirovaniye parametrov funktsional'nykh kharakteristik tsekhovykh setey// Tekhnicheskiye nauki - ot teorii k praktike: mat-ly mezhdunar. LIII nauch.-praktich. konf. Novosibirsk: Izd. ANS «SibAK». 2015. №12 (48). P.105-114.
11. HD 428. Trekhfaznyye raspredelitel'nyye transformatory s rabochey chastotoy 50Gts ot 50 do 2500kVA s maslyanym okhlazhdeniyem i maksimal'nym napryazheniyem ne vyshe 36kV.
12. HD 538. Trekhfaznyye raspredelitel'nyye transformatory s rabochey chastotoy 50Gts ot 100 do 2500kVA s maslyanym okhlazhdeniyem i maksimal'nym napryazheniyem ne vyshe 36kV.
Authors of the publication
Gracheva Elena Ivanovna Kazan State Power Engineering University, Associate Professor of the Department "Electric Power Supply of Industrial Enterprises", Doctor of Technical Sciences.
Naumov Oleg Vitalievich Kazan State Energy University Associate Professor of the Department "Electric Power Systems and Networks" Candidate of Technical Sciences. E-mail: 311670@list.ru.
Fedotov Evgeny Aleksandrovich Kazan State Energy University Associate Professor of the Department "Electric Power Stations" Candidate of Technical Sciences.
Поступила в редакцию 19 июня 2017 г.
